5-1抽水蓄能機(jī)組抽水工況的啟動1SFC-8課件

抽水蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）報告人姜樹德2023/6/421啟動方式概述蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/43主要啟動方式對于多機(jī)式機(jī)組，由于抽水和發(fā)電的旋轉(zhuǎn)方向一致，可以用水輪機(jī)或輔助的小水輪機(jī)將機(jī)組啟動到同步轉(zhuǎn)速，并入系統(tǒng)后，切換水路，使機(jī)組轉(zhuǎn)為抽水工況運(yùn)行。對于兩機(jī)式的可逆機(jī)組，由于抽水和發(fā)電的旋轉(zhuǎn)方向不同，必須采取另外的措施來啟動機(jī)組。在抽水蓄能技術(shù)發(fā)展的過程中，曾經(jīng)和正在采用的可逆式機(jī)組啟動方式主要有以下幾種：－全壓啟動－降壓啟動－同軸小電動機(jī)啟動－變頻啟動裝置啟動－“背靠背”啟動蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/44其中前兩種為異步啟動方式，機(jī)組直接（全壓）或經(jīng)阻抗或變壓器（半壓）并入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子的阻尼條相當(dāng)于異步電動機(jī)的鼠籠條，機(jī)組作為異步電動機(jī)被驅(qū)動加速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速時，投入勵磁，使機(jī)組拖入同步。這種方式適用于中小容量機(jī)組，如果機(jī)組容量大，則并網(wǎng)時對電網(wǎng)和機(jī)組自身的沖擊都較大。采用同軸小電動機(jī)啟動方式時，專用于啟動的小電動機(jī)與主機(jī)同軸連接，小電動機(jī)的電源來自廠用電。小電動機(jī)將機(jī)組拖到同步轉(zhuǎn)速后，機(jī)組并網(wǎng)，斷開小電動機(jī)的電源。這種方式增加了機(jī)組總高度。正常運(yùn)行時小電機(jī)隨機(jī)組空轉(zhuǎn)，降低機(jī)組的效率。這種方式過去在國外采用較多，但新建的蓄能電站已經(jīng)較少采用，國內(nèi)則從未用過。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）同步電動機(jī)與異步電動機(jī)機(jī)械特性的比較2023/6/45蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）同步電機(jī)的起動——異步起動異步啟動原理線路圖同步電機(jī)的阻尼繞組62023/6/4蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/472SFC變頻啟動蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/482.1靜態(tài)變頻啟動裝置(SFC)簡介

如果機(jī)組容量大，則必須采取減少沖擊的“軟”啟動方式，國內(nèi)外最常用的是采用靜態(tài)變頻啟動裝置(以下簡稱SFC)啟動。SFC的功能是將工頻50Hz的輸入電壓，轉(zhuǎn)化為頻率在0~50Hz范圍可調(diào)的輸出電壓。SFC的容量，一般為被啟動電機(jī)容量的6%～10%。機(jī)組轉(zhuǎn)速、飛輪矩、額定容量和用戶要求的啟動時間及機(jī)組各部分損耗均會影響到SFC裝置的容量選擇。一般要求SFC裝置的容量應(yīng)滿足在3.5～4.0min內(nèi)將機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)加速到同步狀態(tài)所需的最大功率要求。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/49機(jī)組在啟動前，先要在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)充入壓縮空氣排水，以減少啟動過程中的阻力轉(zhuǎn)矩。隨著SFC輸出頻率的逐步上升，被驅(qū)動機(jī)組不斷加速。待轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，機(jī)組并入電網(wǎng)，斷開與SFC之間的連接。然后撤除轉(zhuǎn)輪室的壓縮空氣，注水造壓，并依次打開進(jìn)水閥和導(dǎo)葉，開始抽水。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/410

2.2SFC的分類

廣義地講，SFC可以分為電壓源和電流源型。電流源型中又可以分為負(fù)載換相式和可關(guān)斷元件式。蓄能電站的SFC屬于負(fù)載換相式(LoadCommutatedInverter，LCI)，逆變器的換相依靠被拖動的同步電機(jī)的反電動勢實(shí)現(xiàn)。與工業(yè)拖動中連續(xù)運(yùn)行的SFC不同，抽水蓄能電站的SFC是一種短時工作制的設(shè)備，只在水泵工況啟動的過程中運(yùn)行，機(jī)組并網(wǎng)后即退出。的容量是按照招標(biāo)時要求的工作和間歇時間來設(shè)計(jì)的。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/411按照整流器和逆變器的工作電壓，SFC可以分為高－高接線方案和高－低－高接線方案。高－低－高接線方案的SFC的整流器經(jīng)降壓變壓器接到來自電力系統(tǒng)的電源，整流器的輸入交流電壓低于其電源電壓（大多數(shù)情況下是主變壓器的低壓側(cè)電壓，亦即機(jī)組端電壓）。輸出側(cè)經(jīng)變壓器升到機(jī)組電壓。高－高接線方案的SFC的整流器經(jīng)或電抗器或變比為1的隔離變壓器接到其供電電源，整流器的輸入交流電壓與機(jī)組端電壓相同。輸出側(cè)不需要接變壓器，而是經(jīng)電抗器輸出。高－高接線方案的SFC的整流器橋臂的工作電壓較高，需串聯(lián)的晶閘管元件數(shù)量較多。高－低－高接線方案的SFC的整流器橋臂的工作電壓較低，需串聯(lián)的晶閘管元件數(shù)量較少。各種接線方案的構(gòu)成見圖1。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）高--高方案輸入變的變比為1:1，主要起隔離作用2023/6/412蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）高-低-高方案6脈波2023/6/413蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）高-低-高方案12脈波2023/6/414蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4152.3SFC的構(gòu)成

SFC裝置一般由輸入變壓器（或輸入電抗器）、晶閘管整流器、平波電抗器、晶閘管逆變器、輸出變壓器（或輸出電抗器）等組成，見圖。該圖為當(dāng)前采用較多的高－低－高接線方案。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/416

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/417（1）輸入變壓器采用高－低－高接線方案，輸入變壓器為降壓變壓器，使來自系統(tǒng)的電壓與整流器的工作電壓相適配，減少各橋臂串聯(lián)的晶閘管元件的數(shù)量。輸入變壓器接線組別多采用Yd或Dy，以削弱整流器產(chǎn)生的3次及階次為3的整數(shù)倍的諧波，并減弱其他階次諧波對電站和電力系統(tǒng)的干擾。設(shè)置輸入變壓器，對抑制諧波諧振有明顯效果。網(wǎng)橋采用12脈波方案時，則采用雙二次繞組的輸入變壓器。接線組別應(yīng)當(dāng)是Ddy,以配合12個橋臂的導(dǎo)通脈沖在360o電空間的均勻分布。如果變壓器容量較大時，多采用油浸式。容量較小時，也可采用干式變壓器。（2）輸入電抗器有的工程中，SFC不設(shè)輸入變壓器，而是經(jīng)由輸入電抗器接到晶閘管整流器。輸入電抗器可以限制可能發(fā)生的的短路電流。這種接線屬于高－高方案，整流器和逆變器的工作電壓較高，且不能阻斷3次及階次為3的整數(shù)倍的諧波。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/418（3）晶閘管整流器SFC的晶閘管整流器也稱為網(wǎng)橋，為一個或兩個三相全控整流器，每個橋含6個橋臂，用于將來自電網(wǎng)的交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。根據(jù)網(wǎng)橋的工作電壓和晶閘管的反向電壓承受能力，每臂可能由幾個晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，也可能只有一個晶閘管。如采用兩個三相全控整流橋器串聯(lián)的方式，可以進(jìn)一步減少注入到電網(wǎng)的諧波含量。這種方案共有12個橋臂，相應(yīng)的觸發(fā)脈沖有12個，所以也稱為12脈波方案。晶閘管有的門極觸發(fā)單元，用電脈波觸發(fā)，信號來自SFC的控制器。控制器將電信號轉(zhuǎn)化為光信號用光纖傳輸?shù)礁骶чl管，保證了高電壓功率元件與控制元件之間的隔離。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/419晶閘管可以采用風(fēng)/水冷卻方式、水/水冷卻方式或強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。采用風(fēng)/水冷卻方式時，晶閘管的熱量由強(qiáng)迫循環(huán)的空氣帶走，空氣的熱量經(jīng)冷卻器即氣水熱交換器隨冷卻水排走。采用水/水冷卻方式時，晶閘管的熱量由強(qiáng)迫循環(huán)的去離子水帶走，去離子水由絕緣性能良好的塑料管路引至冷卻器即水/水熱交換器，熱量隨電站冷卻水排走。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/420（4）平流電抗器對于電流源型的SFC，電抗器是必不可少的電流儲能型設(shè)備，保證了SFC向負(fù)載提供穩(wěn)定的電流。平流電抗器有空氣芯和鐵芯兩種。空氣芯電抗器采用自然風(fēng)冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷卻，鐵芯電抗器采用風(fēng)冷卻或水冷卻。風(fēng)冷卻空氣芯電抗器的體積較大，必須獨(dú)立布置。采用水冷卻的電抗器比較緊湊，可以安裝在柜內(nèi)，和SFC的整流柜、逆變柜等組裝成一排，節(jié)省占地面積。裝入柜內(nèi)的電抗器的水冷卻方式與晶閘管的水冷卻方式相同，且與其組成統(tǒng)一的冷卻系統(tǒng)。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/421（5）晶閘管逆變器SFC的晶閘管逆變器也稱為機(jī)橋，為三相全控逆變器，每個橋含6個橋臂，用于將直流電流轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電流。構(gòu)成、觸發(fā)方式、冷卻方式與整流器相似。（6）輸出變壓器輸出變壓器使逆變橋的工作電壓與機(jī)組電壓相適配，減少各橋臂串聯(lián)的晶閘管元件的數(shù)量。SFC是一個靠負(fù)載電壓換相的電流源，輸出變壓器把機(jī)組電壓降為與逆變器適配的工作電壓，以保證逆變器的換相。輸出變壓器從5Hz開始就要投入運(yùn)行。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/422（7）輸出電抗器輸出電抗器可以限制可能出現(xiàn)的短路電流。（8）旁路開關(guān)當(dāng)被拖動機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的10%時，由于電壓和頻率都很低，為了避免輸出變壓器運(yùn)行在過低頻率下，也為使機(jī)組得到較大的啟動電流，通過旁路開關(guān)S2直接與發(fā)電電動機(jī)繞組相連，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的10%后，旁路開關(guān)S2斷開，S1合上，輸出變壓器接入。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4239）控制器SFC控制系統(tǒng)的核心是其控制器。由處理單元、存貯器單元和各種輸入/輸出插板構(gòu)成，用于監(jiān)控和保護(hù)內(nèi)部元件和相連的外部設(shè)備。檢測到事故時，它將作出反應(yīng)，包括立即或延時關(guān)斷網(wǎng)橋和機(jī)橋，立即或延時跳閘和/或發(fā)出報警信號。各種事故信號通常經(jīng)由串行通信傳送到全廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，但作為后備，還有以開關(guān)量方式輸出的硬接線綜合信號。軟件的功能包括SFC的調(diào)節(jié)，即根據(jù)外部輸入，直接或經(jīng)過計(jì)算獲得機(jī)組的信息，包括當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置等。根據(jù)這些信息計(jì)算出應(yīng)當(dāng)采用的控制角的大小，以及應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的橋臂，從而控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。控制命令最終轉(zhuǎn)化為經(jīng)由光纜向每個晶閘管輸出的觸發(fā)信號。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4242.4SFC的運(yùn)行原理

1）簡述SFC運(yùn)行的關(guān)鍵是成功實(shí)現(xiàn)逆變，而逆變成功的關(guān)鍵是按照預(yù)訂的順序、實(shí)時實(shí)現(xiàn)閘管的換相，即一個橋臂晶閘管關(guān)斷、另一個橋臂晶閘管開通，使電流從前者轉(zhuǎn)移到后者。開通晶閘管必須同時具備兩個條件：--在陽極和陰極之間施加正向電壓，--在門極施加觸發(fā)脈沖。晶閘管一旦開通，門極就失去控制作用，即使觸發(fā)脈沖已經(jīng)撤除，只要正向電壓存在，晶閘管就會繼續(xù)導(dǎo)通。關(guān)斷晶閘管必須采取以下兩條措施中的一條：--在陽極和陰極之間施加反向電壓，--關(guān)斷給晶閘管供電的電流源或電壓源。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/425由于SFC逆變器的供電對象是有源負(fù)載同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)速高于10％時（各工程取值略有差別，以10％即5Hz者居多，為了敘述的方便，以下均采用10％和5Hz），可以利用同步電機(jī)的三相交流電動勢來關(guān)斷逆變器中的晶閘管，即實(shí)現(xiàn)自然換相即同步換相。但是，在啟動的初始階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定值的10%時，電機(jī)的電動勢不足以關(guān)斷逆變器中的晶閘管來維持換相，此時必須由SFC依次向電機(jī)定子各相繞組提供電流脈沖，實(shí)現(xiàn)所謂強(qiáng)制換相（即脈沖耦合換相）。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4262）轉(zhuǎn)子位置的識別不論處于哪個啟動階段，采用哪種換相方式，控制系統(tǒng)都需要知道轉(zhuǎn)子的位置，以便確定為使轉(zhuǎn)子獲得最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)該通電的定子繞組相別，從而確定應(yīng)該導(dǎo)通的橋臂。以往采用感應(yīng)型或光電型的軸角傳感器來測位，現(xiàn)在主流廠家采用的是計(jì)算電機(jī)電壓矢量的辦法確定轉(zhuǎn)子位置，省去了傳感器。以下的分析中均以無傳感器的方案為例。為了分析的方便，假定電機(jī)的極對數(shù)為1，電角度與空間角度一致；假定逆變橋直接連接到電機(jī)。這個分析的結(jié)果很容易推廣到多對極的電機(jī)和有輸出變壓器情況中去。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/427（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別啟動之初，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，不能用定轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動的機(jī)理來判斷轉(zhuǎn)子位置。但是在施加勵磁電流的初瞬間，電機(jī)定子三相繞組中會感應(yīng)出電動勢，利用這些電動勢，可以推算出轉(zhuǎn)子的位置施加勵磁電流時，定子三相繞組中因互感產(chǎn)生的磁通可以用式1表示。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/428（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/429蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/430（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/431（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別定子三相繞組中感應(yīng)出的電動勢可以用式3表示：蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/432（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別定子三相繞組感應(yīng)電動勢的最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組施加電壓的初瞬間，即t為0時，見式4。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/433（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別根據(jù)三角函數(shù)公式對式4進(jìn)行求解，得式5。式中最終只含三相電壓，不含不易確定的自感L和互感M.蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/434（1）轉(zhuǎn)子初始位置的識別定子繞組空載時，eu0=uu

、ev0=uv

、ew0=uw，而各相電壓是可以測得的，所以γ可根據(jù)式5求得，轉(zhuǎn)子初始位置從而可以確定。采用tgγ推算γ。轉(zhuǎn)子的可能初始位置則有無限多個，但機(jī)橋可能的導(dǎo)通橋臂組合只有6種。所以，必須將轉(zhuǎn)子的無限多個可能初始位置歸并為6種，以適應(yīng)對機(jī)橋控制要求。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/435圖3定子空間的6個扇形區(qū)將電機(jī)定子內(nèi)的空間劃分為6個60o的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的軸線都是定子某相繞組磁場的軸線，如圖3所示，轉(zhuǎn)子必然處于六個扇形區(qū)之一。轉(zhuǎn)子繞組施加電流的瞬間，轉(zhuǎn)子處于不同位置時（見圖4的A行），相應(yīng)的γ值的范圍如圖4的B行所示。反過來講，可以從B行的結(jié)果反推出A行，即只要測得電機(jī)三相電壓，算出γ角，便可推斷出轉(zhuǎn)子處于六個扇形區(qū)中的哪一個，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子初始位置的識別。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/436蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/437（2）頻率低于1Hz時轉(zhuǎn)子位置的識別

轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，但頻率低于1Hz（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于2%額定值）時，定子各相繞組感應(yīng)電動勢的幅值很低，尚不能利用后面講到的高轉(zhuǎn)速時將要采用的積分法求得轉(zhuǎn)子位置。這時采用的轉(zhuǎn)子位置識別方法為估算法，具體原理如下。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動公式見式6.蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/438（2）頻率低于1Hz時轉(zhuǎn)子位置的識別

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/439圖4轉(zhuǎn)子初始位置、獲得最大轉(zhuǎn)矩所需的電流方向及導(dǎo)通橋臂

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/440（2）頻率低于1Hz時轉(zhuǎn)子位置的識別I為定子電流，由SFC提供，選擇合適的控制角，可以使其為常數(shù)；Φ為轉(zhuǎn)子磁通，由勵磁系統(tǒng)提供的電流確定，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為常數(shù)；所以TM在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為常數(shù)。轉(zhuǎn)速從零到2%額定值的范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為阻力矩TR是常數(shù)。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/441蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/442（3）頻率高于1Hz（轉(zhuǎn)速高于2%額定值）

時轉(zhuǎn)子位置的識別

轉(zhuǎn)速高于2%額定值時，定子端電壓的幅值已經(jīng)足夠大，可以利用更為精確的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的識別。各相繞組端電壓是由轉(zhuǎn)子磁場運(yùn)動產(chǎn)生的，其幅值與當(dāng)時的轉(zhuǎn)子空間位置直接相關(guān)，所以各相繞組端電壓幅值的組合能夠反映轉(zhuǎn)子的位置。但利用三相坐標(biāo)系直接推算轉(zhuǎn)子位置并不方便，應(yīng)另尋蹊徑。回顧一下矢量分析方法中采用的電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系，即α-β坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系的α軸與定子U相磁場軸線相重合，β軸滯后于α軸90o，見圖5。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/443（3）頻率高于1Hz時轉(zhuǎn)子位置的識別圖5

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/444蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/445（3）頻率高于1Hz（轉(zhuǎn)速高于2%額定值）

時轉(zhuǎn)子位置的識別

根據(jù)交流電路基本公式，可以從uα、uβ、

iα和iβ以及同步電機(jī)的R、Lα(α等效繞組的自感)Lβ(β等效繞組的自感)、M(α等效繞組與β等效繞組之間的互感)等已知參數(shù)，根據(jù)式13和14求得eα和eβ。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/446（3）頻率高于1Hz（轉(zhuǎn)速高于2%額定值）

時轉(zhuǎn)子位置的識別

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/447（3）頻率高于1Hz（轉(zhuǎn)速高于2%額定值）

時轉(zhuǎn)子位置的識別

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/448（3）頻率高于1Hz（轉(zhuǎn)速高于2%額定值）

時轉(zhuǎn)子位置的識別

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/449轉(zhuǎn)子位置識別小結(jié)（1）轉(zhuǎn)子靜止時，在轉(zhuǎn)子繞組通以勵磁電流。突然施加的電流在三相繞組感應(yīng)出不同的電動勢。利用三相電動勢的數(shù)值可計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置。（2）轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動但轉(zhuǎn)速低于2%額定轉(zhuǎn)速時，利用轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，積分獲得轉(zhuǎn)子實(shí)時位置。（3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于2%額定轉(zhuǎn)速后，實(shí)測三相電壓和電流，并轉(zhuǎn)換為α－β坐標(biāo)系的電壓、電流，并據(jù)此求得eα和eβ。對eα和eβ積分獲得Φα和Φβ。二者比值的反正切即是轉(zhuǎn)子的位置角γ。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4502）逆變器的換相獲得各個時刻的轉(zhuǎn)子位置信號后，就可以根據(jù)此信號確定此刻應(yīng)該導(dǎo)通的機(jī)橋橋臂，并發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖應(yīng)當(dāng)使導(dǎo)通的繞組組合最為合理，以便獲得最大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子位置必然處于6個扇區(qū)之一，可能的導(dǎo)通橋臂組合也有6種，從一種導(dǎo)通組合向另一種導(dǎo)通組合的過渡稱為換相。換相過程中，有一個橋臂繼續(xù)維持導(dǎo)通，還有一個橋臂關(guān)斷、一個橋臂開通。有兩種換相方式：強(qiáng)制換相和自然換相。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/451（1）強(qiáng)制換相

如果被拖動電機(jī)電壓足夠高，換相期間，應(yīng)關(guān)斷的橋臂承受的電壓由正向變?yōu)榉聪?，換相自然完成。但在啟動的初始階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定值的10%時，電機(jī)的電動勢太低，不足以關(guān)斷逆變器中應(yīng)關(guān)斷的晶閘管來維持換相，此時必須由SFC依次向各相繞組提供脈沖，實(shí)現(xiàn)所謂強(qiáng)制換相。按照表中D行的要求，控制器發(fā)出導(dǎo)通脈沖，使晶閘管輪流導(dǎo)通。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/452逆變器的強(qiáng)制換相過程：①將整流器變?yōu)槟孀兎绞剑蛊渲绷麟娏鳒p到零。②逆變器因無電流供電，其所有的晶閘管必然關(guān)斷。③確認(rèn)直流回路中電流為零后，重新開通整流器，并向下一輪中應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的晶閘管發(fā)出導(dǎo)通脈沖。強(qiáng)制換相運(yùn)行時必須反復(fù)關(guān)斷、開通晶閘管，所以各相電流的波形是間斷的。導(dǎo)通脈沖的發(fā)出時刻是根據(jù)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置確定的，確定的原則是使轉(zhuǎn)子獲得最大的轉(zhuǎn)矩。圖4的D行列出了針對不同的轉(zhuǎn)子位置，應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的逆變器橋臂。E行則列出了各相電流的波形。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/453不難看出，每個周期中，電路被關(guān)斷6次，重新開通6次，定子電流和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩都是斷續(xù)的。由于轉(zhuǎn)子的慣性，在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零期間，轉(zhuǎn)子會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，并逐步加速。在轉(zhuǎn)速低時，周期較長，電路的關(guān)斷和重新開通所需要的轉(zhuǎn)換時間在一個周期內(nèi)所占的比例不大，關(guān)斷和重新開通得以順利完成。隨著轉(zhuǎn)速的上升，周期變短，在一個周期內(nèi)要完成6次轉(zhuǎn)換就越來越困難。這種換相方式的頻率上限約為8Hz。實(shí)際上，在頻率達(dá)到5Hz后，就采用自然換相了。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/454圖4轉(zhuǎn)子初始位置、獲得最大轉(zhuǎn)矩所需的電流方向及導(dǎo)通橋臂蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/455

導(dǎo)通橋臂從1和2轉(zhuǎn)換為2和3時，電機(jī)繞組波形的變化。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/456（2）自然換相

頻率大于5Hz后，電機(jī)的電動勢已經(jīng)能夠使逆變器實(shí)現(xiàn)自然換相。導(dǎo)通橋臂的組合仍然根據(jù)圖4的A行、C行和D行的關(guān)系確定，以使轉(zhuǎn)子獲得最大轉(zhuǎn)矩。圖6說明了控制角a為150o時逆變自然換相的過程。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/457

圖6自然換相的實(shí)現(xiàn)在時刻D之前，橋臂6和5導(dǎo)通。橋臂1在時刻D收到觸發(fā)命令而導(dǎo)通，橋臂1的導(dǎo)通使共陰極的電位與a點(diǎn)相等，橋臂5陰極的電位從而也等同于a的電位e1。而橋臂5陽極的電位為c點(diǎn)電位e5。由波形圖可以看出，此時e1>e5，所以橋臂5承受反向電壓關(guān)斷，導(dǎo)通組合變成了橋臂1和6.

D蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）轉(zhuǎn)子位置的辨識方法和換相方法隨頻率的變化2023/6/458蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4592.5SFC啟動過程SFC的控制方式可以是：由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）遠(yuǎn)方自動控制，或通過SFC控制器上的按鍵手動控制。兩種方式的選擇由SFC控制器上的現(xiàn)地/遠(yuǎn)方選擇按鍵實(shí)現(xiàn)。SFC處于可用狀態(tài)時，可投入運(yùn)行。SFC可用的條件是：所有的控制和動力電源可用并已投入，無報警、無事故。以下以遠(yuǎn)方自動控制方式為例，介紹SFC的啟動過程。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2.5SFC啟動過程

（1）CSCS的機(jī)組LCU合上被啟動機(jī)組的被拖動隔離開關(guān)，做好主回路啟動準(zhǔn)備。（2）CSCS的啟動用LCU（或公用LCU或開關(guān)站）向SFC發(fā)出“SFC輔助設(shè)備啟動”的命令，SFC將自動啟動輔助設(shè)備，如冷卻風(fēng)機(jī)（風(fēng)/水冷卻）、冷卻單元去離子水泵（水/水冷卻）、整流器和逆變器風(fēng)機(jī)或冷卻水閥門。（3）輔助設(shè)備啟動后，SFC檢測到輸入/輸出變壓器風(fēng)機(jī)正常、去離子水流和導(dǎo)電率正常（水/水冷卻）、整流器和逆變器的空氣溫度正常（風(fēng)/水冷卻）。2023/6/460蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2.5SFC啟動過程

（4）選擇被拖動機(jī)組。（5）確認(rèn)被拖動機(jī)組GCB斷開、被拖動刀閘合上、輸出斷路器已合上后，自動合上輸入斷路器。（6）確認(rèn)SFC輸入斷路器合閘且機(jī)組勵磁已投入后，SFC發(fā)出“SFC已運(yùn)行”的信號給LCU。控制器開始向整流橋、逆變橋發(fā)出導(dǎo)通脈沖，向勵磁發(fā)出給定值。機(jī)組開始加速。2023/6/461蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/462（7）f<5Hz期間，SFC將合上隔離開關(guān)S2（將輸出變旁路）。SFC以強(qiáng)制換相方式控制逆變器晶閘管。（8）轉(zhuǎn)速上升到5Hz時，晶閘管橋被暫時閉鎖，電流消失。隔離開關(guān)S2斷開，隔離開關(guān)S1閉合。（9）轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升，f>5Hz后，SFC解除脈沖閉鎖，重新建立電流回路，SFC以自然換相方式控制逆變器晶閘管，電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。（10）轉(zhuǎn)速達(dá)到98%額定轉(zhuǎn)速時，投入同期裝置，調(diào)節(jié)SFC的輸出頻率和被拖動機(jī)組的勵磁。（11）滿足同期條件后，合上GCB，同時閉鎖SFC所有晶閘管的觸發(fā)脈沖。（12）斷開SFC的輸出斷路器，停止輔助設(shè)備的運(yùn)行。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/463

機(jī)組定子電流機(jī)組電動勢機(jī)組轉(zhuǎn)子電流SFC輸出功率隨時間的變化曲線蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4642.6SFC的保護(hù)

SFC應(yīng)當(dāng)配備從輸入變壓器到輸出變壓器范圍的保護(hù)，保護(hù)種類見表1。保護(hù)配置情況見圖8。

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/465蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/466蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4672.7

SFC的容量估算蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/468圖9

蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/469蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）SFC的容量PR是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，要求解上述積分比較復(fù)雜。如果近似認(rèn)為PR為常數(shù)，則積分可得：t=0.5Jωn2/(PSFC-PR)PSFC=PR+0.5Jω

n2/t式中，J為轉(zhuǎn)動慣量，ω

n為額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的角速度，t為0起加速到額定轉(zhuǎn)速的時間。上式可以用于估算SFC的容量。2023/6/470蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2023/6/4712.8SFC的諧波問題及對策

SFC作為電網(wǎng)的非線性負(fù)荷，必然產(chǎn)生高次諧波，對廠用電造成一定的諧波污染，對電力系統(tǒng)也有一些影響。但是，蓄能電站的SFC是一種短時工作的設(shè)備，上述影響是短時的，不應(yīng)該按照對連續(xù)運(yùn)行的諧波源的限制條件來對它提出要求。近幾年來，在招標(biāo)工作中，未能區(qū)分抽水蓄能電站與公共電網(wǎng)諧波分布的不同特點(diǎn)以及二者諧波限制標(biāo)準(zhǔn)的差異，對電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的理解不夠全面，國內(nèi)的蓄能電站在確定SFC的技術(shù)條件時，往往提出過于苛刻的要求，造成部分國內(nèi)蓄能電站的SFC設(shè)置5、7、11、13、15、17次等高次諧波濾波器，不僅增加了成本，而且增加了地下洞室的開挖量。蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2.8SFC的諧波問題及對策深入的研究已經(jīng)證明，采用6脈波方案、不設(shè)諧波濾波器的情況下，諧波的影響完全可以限制在允許的范圍內(nèi)。如果要進(jìn)一步消除蓄能電站的諧波污染，關(guān)鍵是合理選擇接線方式，只要接線合理（增大高壓廠用變與SFC的電氣距離、設(shè)置輸入變壓器或隔離變壓器等），就不會對系統(tǒng)和廠用電造成影響，高次諧波濾波器完全不必裝設(shè)。事實(shí)上，歐美和日本的大量抽水蓄能電站都采用6脈波方案，且不設(shè)濾波器，從來沒有因此造成危害。2023/6/472蓄能機(jī)組抽水工況的啟動（1）2.8SFC的諧波問題及對策合理的諧波限制指標(biāo)應(yīng)當(dāng)只對針對SFC與電站廠用電的連接處提出，而且只提出該點(diǎn)的電壓總畸變率THD。這是因?yàn)椋徽撌抢碚摲治鲞€是工程實(shí)踐都證明，SFC